Введение в локальные сети(LAN)
Локальные сети – это распространённый тип сетей, находящий себе применение в небольших офисах, дома, в гигантских корпорациях. Понимание компонентов локальных сетей и их функций важная часть знания сетевых технологий. Эта лекция представляет LAN-технологию и закладывает базовые сведения о характеристиках, компонентах и функциях локальных сетей.
LAN – это сеть, расположенная на небольшой территории. LAN-сеть может состоять всего из 2-х компьютеров в домашней сети или сотни компьютеров в большом офисе.
Компоненты локальной сети
Каждая локальная сеть состоит из программных, аппаратных компонентов и соединяющих кабелей. Независимо от размера сети, для её работы необходимы следующие компоненты:
- Компьютеры: Компьютеры являются оконечными устройствами сети, передающими и принимающими информацию.
- Соединительные устройства : Соединительные устройства предоставляют возможность информации перемещаться от одной точки сети к другой. Соединительные устройства включают следующие компоненты:
- Платы сетевого адаптера: Переводят данные, отправляемые компьютером в формат, пригодный для передачи по сети.
- Кабели: Среда передачи электрических сигналов.
- Концентраторы (HUBs): Концентраторы объединяют устройства в сети. Эти устройства функционируют на 1-ом уровне модели OSI. Однако концентраторы активно вытесняются коммутаторами.
- Коммутаторы Ethernet (Ethernet switches): Коммутаторы используются как точки сосредоточения даже в базовых локальных сетях. Они функционируют на 2-ом уровне модели OSI и обеспечивают интеллектуальную передачу фрэймов по сети.
- Маршрутизаторы(Routers): Маршрутизаторы позволяют соединять между собой локальные сети. Они работают на 3-ем уровне модели OSI.
- Протоколы Ethernet
- Интернет протокол (IP)
- Протокол разрешения адресов (ARP) и Reverse ARP (RARP)
- Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP)
Функции локальной сети
- Данные и приложения: Пользователи, соединённые локальной сетью, могут совместно использовать информацию и пользовательские приложения. Это делает информацию более доступной и позволяет осуществлять совместную работу над проектами.
- Ресурсы: Пользователи локальных сетей могут совместно использовать как устройства ввода(сканеры, камеры), так и устройства вывода – принтеры.
- Обмен данными с другими сетями: Если какой-то ресурс не доступен локально, LAN-сеть позволяет через маршрутизаторы подключаться к другим сетям и получать доступ к удалённым ресурсам, например к World Wide Web.
Размер LAN
LAN-сети могут быть различных размеров, в зависимости от потребностей фирмы:
- Малый офис, работа на дому (SOHO): Такая сеть обычно содержит небольшое количиство персональных компьютеров и сетевых устройств.
- Корпорация: В крупных корпорация зачастую очень сложные LAN-сети, расположенные в большом офисном здании, или даже в нескольких зданиях. Они могут включать сотни компьютеров и периферийных устройств.
Итоги
- LAN это сеть, компоненты которой расположены на ограниченной территории недалеко друг от друга.
- Независимо от размеров локальной сети, для её функционирования необходимы такие компоненты, как ПК, interconnections, сетевые устройства и протоколы.
- Локальные сети обеспечивают одновременно обмен данными между пользователями и совместное использование ресурсов.
Сетевые протоколы: базовые понятия и описание самых востребованных правил
Рассказываем о самых часто используемых правилах взаимодействия устройств в сети.
Эта инструкция — часть курса «Как работают сетевые протоколы».
Смотреть весь курс
В мире существует более 7 000 протоколов, и их число продолжает расти. Рассказываем о самых часто используемых правилах взаимодействия устройств в сети.
Понятие протокола сети
Сетевой протокол — это набор правил, определяющий принципы взаимодействия устройств в сети. Чтобы отправка и получение информации прошли успешно, все устройства-участники процесса должны принимать условия протокола и следовать им. В сети их поддержка встраивается или в аппаратную часть (в «железо»), или в программную часть (в код системы), или и туда, и туда.
Для взаимодействия протоколов между собой существует модель OSI, или Open Systems Interconnection. Дословно название переводится как «взаимодействие открытых систем».
OSI — эталонная модель взаимодействия устройств в сети
Модель OSI — это модель, позволяющая разным системам связи коммуницировать между собой по общепринятым стандартам. Ее можно сравнить с английским, то есть глобальным, универсальным языком в мире сетей.
Модель основана на принципе разделения коммуникационной системы на семь отдельных уровней. Подробнее о ней вы можете прочитать здесь.
Если в передачи информации случаются сбои, модель помогает быстрее и легче локализовать проблему на конкретном уровне и значительно ускорить процесс восстановления работоспособности системы.
Модель OSI является эталонным стандартом, но на данный момент она устарела, поскольку современные протоколы работают сразу на нескольких уровнях модели OSI. На смену модели OSI пришла модель TCP/IP, на основе которой работает большая часть устройств в современном мире.
TCP/IP — модель, на которой работает сеть Интернет
Модель TCP/IP помогает понять принцип работы и взаимодействия узлов в сети Интернет. Ее название включает в себя два основных протокола, на которых построен интернет. TCP/IP расшифровывается как Transmission Control Protocol/Internet Protocol, или протокол управления передачей (данных)/интернет-протокол.
Модель используется во всем современном интернете, новые сетевые протоколы разрабатываются с опорой на модель TCP/IP. Например, подключаясь к сайту Selectel, вы используете протоколы IP, TCP и HTTPS, которые работают в рамках упомянутой модели.
Подробнее о модели TCP/IP можно прочитать в блоге.
Далее мы рассмотрим основные протоколы межсетевого, транспортного уровней, а также уровня приложений. Именно с ними мы сталкиваемся чаще всего, анализируя какие-либо проблемы в сети или на сервере.
Протоколы транспортного уровня: краткое описание
Интернет-протокол и IP-адреса
Internet Protocol (IP) — это наиболее простой протокол, объединивший отдельные компьютеры в глобальную сеть. Главной его задачей является маршрутизация дейтаграмм — определение маршрута следования пакетов по узлам сети. Каждое устройство — ваш ПК, принтер и т.д. — имеет IP-адрес, чтобы данные попадали к нужному адресату. Так, например, отправленный на печать файл не окажется вместо принтера в личном ПК вашего коллеги.
В качестве минусов протокола можно отметить низкую надежность. Он не определяет факт передачи пакета и не контролирует целостность данных. IP просто осуществляет пересылку.
Для пересылки пакетов необходимо определить, на какой порт отправить пакет. Для этого протокол имеет свою систему адресации. В качестве адресов выступает 32-битные (IPv4) или 128-битные (IPv6) адреса. Перед отправкой пакета в него добавляются header (заголовок) и payload (данные для доставки).
IPv4 является 32-разрядной системой, состоящей из четырех разделов (123.123.123.123). Он поддерживает до 4 294 967 296 адресов и является протоколом по умолчанию. Основным его преимуществом является простота. В недостатках — ограниченное адресное пространство, также называемое «исчерпанием адресов».
IPv6, напротив, — 128-битное адресное пространство, которое обеспечивает приблизительно 2^128 степени адресов. Формат записи состоит из восьми разделов, в каждый из которых записывается четыре 16-ричных цифры. Недостаток протокола — в сложности сетевого администрирования. При аренде сервера или виртуальной машины в Selectel выдается IPv4, однако можно запросить и IPv6-адреса, в облаке на базе VMware выдаются только IPv4-адреса.
Один из основных протоколов, который работает поверх IP, — это протокол TCP, из-за чего его часто обозначают как TCP/IP. Но это не единственный протокол, который является частью интернет-протокола.
TCP — протокол обмена сообщениями в сети Интернет
TCP помогает устройствам в сети обмениваться сообщениями. Он работает на четвертом, транспортном, уровне модели OSI.
Для передачи информации происходит дробление исходного файла на части, которые передаются получателю, а далее собираются обратно. Например, человек запрашивает веб-страницу, далее сервер обрабатывает запрос и высылает в ответ HTML-страницу при помощи протокола HTTP. Он, в свою очередь, запрашивает уровень TCP для установки требуемого соединения и отправки HTML-файла. TCP конвертирует данные в блоки, передавая их на уровень TCP пользователя, где происходит подтверждение передачи.
Свойства протокола TCP:
- Система нумерации сегментов (Segment Numbering System). TCP отслеживает передаваемые или принимаемые сегменты, присваивая номера каждому из них. Байтам данных, которые должны быть переданы, присваивается определенный номер байта, в то время как сегментам присваиваются порядковые номера.
- Управление потоком. Эта функция ограничивает скорость, с которой отправитель передает данные. Это делается для обеспечения надежности доставки. Получатель постоянно сообщает отправителю о том, какой объем данных может быть получен.
- Контроль ошибок. Данная функция реализуется для повышения надежности путем проверки байтов на целостность.
- Порт источника и порт назначения. Протокол TCP использует специальные порты для связи различных протоколов. Например протокол SSH использует 22й порт, HTTP — 80, HTTPS — 443, Gopher — 70. Все порты делятся на три диапазона — общеизвестные (0—1023), зарегистрированные (1024—49151) и динамические (49152—65535).
UDP — аналог TCP: описание отличий в поведении протокола в сети
В отличие от протокола ТСР User Datagram Protocol обеспечивает передачу данных без получения подтверждения от пользователя о результате действия. Благодаря этому достигается большая скорость работы и передачи данных в ущерб надежности и безопасности.
Особенности протокола диктуют специфику его применения. Так, он подходит для приложений, например, Skype, Discord и другие, которые работают в реальном времени и где задержка передачи данных может быть проблемой. Также его предпочтительно использовать в приложениях с большим количеством подключенных клиентов — например, в играх, голосовых или видеоконференциях, а также при потоковой передаче мультимедиа.
UDP работает путем сбора данных в UDP-пакете и добавления в пакет собственной информации заголовка. Заголовок UDP включает четыре поля, объем которых составляет 2 байта каждый: номер порта источника, номер порта назначения, длина заголовка и контрольная сумма блока.
Протокол UDP любят злоумышленники при организации DDOS — или DOS-атак. Из-за того, что данный протокол не требует подтверждения от сервера, открывается возможность просто «залить» сервер запросами. Стандартная атака подразумевает отправку большого количества дейтаграмм. Это заставляет сервер отвечать на каждый из них, расходуя вычислительные мощности.
SCTP — протокол передачи управления потоком
Еще один протокол, который относится к транспортному уровню. SCTP обеспечивает надежную последовательную передачу данных. Поддерживает многоадресное соединение, когда один или оба конечных узла могут состоять из более чем одного IP-адреса. Это обеспечивает прозрачное переключение между резервными сетевыми путями.
SCTP аналогичен протоколам UDP и TCP, которые обеспечивают функции транспортного уровня для некоторых интернет-приложений. Так как преимущество протокола SCTP — в быстром переключении между интерфейсами, на него переходят только компании, для которых критична недоступность приложений. SCTP работает поверх бесконтактной пакетной сети, такой как IP, и поддерживает передачу данных в случаях с одним или несколькими IP.
RTP — транспортный протокол реального времени
Real-time Transfer Protocol — это протокол, который используется при передаче потокового аудио и видео и применяется при передаче голоса преимущественно в IP-телефонии. RTP применяется в совокупности с протоколом управления RTCP. Когда RTP транслирует медиа, RTCP применяется при анализе статистик QoS (Quality of Service) и обеспечивает синхронизацию разных потоков. RTP отправляется и принимается с помощью четных номеров портов, а RTCP использует нечетные номера.
Также протокол считают главным стандартом, применяемым при передаче аудио и видео по IP-сети. Поскольку RTP может осуществлять ее нескольким конечным адресатам одновременно при помощи многоадресной IP-рассылки.
Протоколы межсетевого уровня: краткое описание
ICMP — протокол управляющих сообщений в сети
Задача протокола — диагностика проблем при взаимодействии устройств. Он определяет, достигли ли данные места назначения или нет.
Основная цель ICMP — сообщать об ошибках. Если какие-либо данные не попали по назначению, ICMP генерирует ошибки для обмена с отправляющим устройством. Например, если объем передаваемых данных слишком велик для маршрутизатора, маршрутизатор отбросит пакет и отправит ICMP-сообщение исходному источнику данных.
Как и в случае UDP, протокол ICMP можно использовать для сетевых атак, таких как ICMP flood и ping of death, где главный прием — генерация большого количества ICMP-сообщений.
OSPF — протокол маршрутизации состояния канала сети
Open Shortest Path First используется для поиска наилучшего пути между исходным и конечным маршрутизатором. Работает на межсетевом уровне модели OSI.
После настройки OSPF будет анализировать соседние маршрутизаторы и собирать все доступные данные о состоянии канала для построения топологической карты всех доступных путей в своей сети. Затем он сохранит информацию в своей базе данных топологии, также известной как База данных состояния канала (LSDB).
На основе собранной информации он вычислит наилучший кратчайший путь к каждой доступной подсети/сети, используя алгоритм под названием Shortest Path First (SFP).
Протоколы прикладного уровня: краткое описание
FTP — протокол передачи данных в сети
FTP — это клиент-серверный протокол, который использует два канала для передачи данных: командный, управляющий процессом передачи, и транспортный, непосредственно передающий информацию. Для FTP-протокола устройство конечного пользователя называется локальным хостом, а второй компьютер — удаленным хостом, играющим роль сервера. Для работы протокола требуется его правильная настройка со стороны хоста и специальный клиент на локальном хосте.
Описание работы протокола в сети Интернет
Пользователю нужно войти на FTP-сервер. Здесь нужно учитывать, что некоторые серверы разрешают доступ к части или всем своим данным без авторизации. Это называется «анонимным FTP». При этом файлы с сервера можно будет только передавать на компьютер клиента.
Далее клиент начинает диалог с сервером — запрашивает разрешение на изменение файлов на сервере. Использую авторизованный FTP-клиент, можно скачивать файлы с сервера, отгружать их на него и выполнять другие манипуляции.
FTP-сессии работают в двух режимах — активном и пассивном:
- При активном режиме сервер после инициализации, путем вызова командного канала, открывает транспортный канал и начинает передачу данных.
- При пассивном режиме сервер при помощи командного канала отправляет клиенту данные, требующиеся для открытия канала передачи данных.
Из-за того, что клиент создает все подключения в пассивном режиме, этот протокол хорошо подходит для работы с брандмауэрами.
DNS — справочник сети Интернет
Браузеры взаимодействуют между собой через IP-адреса. Люди, пытаясь подключиться к сайту, используют его доменное имя — например, https://selectel.ru/. Domain Name System преобразует домены в IP-адреса, чтобы сделать возможной загрузку интернет-ресурса через браузер. Каждому устройству в сети назначается свой IP-адрес, который используется другими устройствами для подключения к нему, а DNS-сервер позволяет людям не запоминать их.
На данный момент существуют четыре основных DNS-сервера, которые участвуют в загрузке веб-страниц:
- DNS recursor — своеобразный справочник, отвечающий за прием запросов от компьютеров пользователей, например, приложений браузеров;
- Root nameserver, или корневой сервер, является первым в процессе конвертации имени хоста в IP-адрес и позволяет получить список DNS-серверов.
- TLD nameserver — следующий шаг при поиске IP; хранит информацию про все доменные имена с общим расширением (.ru, .com и т.д.);
- Authoritative nameserver дает окончательные ответы на запросы о DNS.
Бесплатный DNS-хостинг от Selectel
Размещайте домены и записи на наших DNS-серверах. Запуск за несколько минут.
HTTP(S) — протокол передачи гипертекста
HTTP является основой интернета и используется для загрузки веб-страниц с использованием гипертекстовых ссылок. Относится к прикладным протоколам и работает поверх других уровней стека сетевых протоколов.
Обычно принцип передачи данных по протоколу HTTP включает в себя компьютер клиента (например, ваш ПК), отправляющий запрос на сервер, который затем возвращает ответ. Каждый HTTP-запрос включает в себя ряд закодированных данных, содержащих различную информацию, в том числе:
- версию HTTP,
- URL-адрес,
- метод HTTP-запроса — указание на ожидание запроса от сервера (например, PUT- и GET-запросы),
- заголовок — он передает основную информацию о запросе и содержит пары ключ-значение,
- тело запроса (опционально, это любая отправляющаяся информация).
После получения запроса сервер должен дать ответ. В его стандартную структуру входят: код состояния, заголовок и тело ответа.
Код состояния HTTP-запроса — это трехзначные коды, которые, как правило, указывают на успешность его выполнения. Они разбиваются на пять основных блоков:
- 1xx* Информация (Informational),
- 2хх Успешность выполнения (Success),
- 3хх Перенаправление (Redirection),
- 4xx Ошибка клиента (Client Error),
- 5xx Ошибка сервера (Server Error),
*ХХ обозначают цифры от 00 до 99.
Аналогично запросу, ответ имеет заголовок, который содержит различную информацию — например, язык отправляемых данных. В большинстве случаев там содержатся HTML-данные, которые веб-браузер клиента преобразует в страницу.
При разговоре про HTTP нельзя не упомянуть важный аспект — незащищенность протокола. При передаче данных все происходит открыто, в результате чего злоумышленник может перехватить данные. Для исключения этой проблемы был разработан протокол HTTPS. Подробное сравнение этих протоколов есть в нашем блоге.
SSH — основное средство подключения к серверам
SSH, или Secure Shell, — это защищенный протокол, который используется как основное средство подключения к серверам. С помощью него при подключении к серверу пользователь входит в уже существующую учетную запись, где выполняются все отправленные команды.
Данное соединение реализовано по схеме «клиент-сервер». Для его создания на удаленном устройстве должна быть запущена программа, называемая демоном. Демон выполняет подключение к определенному сетевому порту, проверяет подлинность запросов на подключение и создает соответствующую среду, если пользователь вводит правильные учетные данные. Также со стороны клиента должно быть установлено соответствующее ПО.
В панели управления Selectel пользователь может загрузить собственный SSH-ключ для повышения надежности и безопасности подключения или сгенерировать его на месте. Подробнее — в нашей базе знаний.
Устаревшие протоколы: Telnet, Gopher, FTP
На сегодняшний день существует более 7 000 тысяч различных протоколов. Сеть постоянно развивается, поэтому некоторые протоколы устаревают — например, Gopher, FTP, Telnet. Последний рассмотрим подробнее.
Telnet — это старый, но очень надежный протокол связи. Первоначально он был разработан как символьно-ориентированный протокол эмуляции терминала, используемый в среде UNIX. Сегодня Telnet широко используется для системного администрирования маршрутизаторов, коммутаторов и удаленных серверов, а также для базовой текстовой связи, в которой графика не требуется.
Заключение
В данной статье мы рассмотрели популярные протоколы взаимодействия устройств и программ в сети. В реальной жизни на одном только вашем ПК используются сотни протоколов, поскольку каждый выполняет определенные задачи. Узнать о задачах и принципах работы протокола можно в специальном документе, который называется RFC-стандартом.
Протоколы и технологии локальных сетей
В локальных сетях основная роль в организации взаимодействия узлов принадлежит протоколу канального уровня, который ориентирован на вполне определенную топологию ЛКС. Так, самый популярный протокол этого уровня — Ethernet — рассчитан на топологию «общая шина», когда все узлы сети параллельно подключаются к общей для них шине, а протокол Token Ring — на топологию «звезда».
При этом применяются простые структуры кабельных соединений между РС сети, а для упрощения и удешевления аппаратных и программных решений реализовано совместное использование кабелей всеми РС в режиме разделения времени (в режиме TDH). Такие простые решения, характерные для разработчиков первых ЛКС во второй половине 70-х годов ХХ-го века, наряду с положительными имели и отрицательные последствия, главные из которых — ограничения по производительности и надежности.
Поскольку в ЛКС с простейшей топологией («общая шина», «кольцо», «звезда») имеется только один путь передачи информации, производительность сети ограничивается пропускной способностью этого пути, а надежность сети — надежностью пути.
Поэтому по мере развития и расширения сфер применения локальных сетей с помощью специальных коммуникационных устройств (мостов, коммутаторов, маршрутизаторов) эти ограничения постепенно снимались. Базовые конфигурации ЛКС («шина», «кольцо») превратились в элементарные звенья, из которых формируются более сложные структуры локальных сетей, имеющие параллельные и резервные пути между узлами.
Однако внутри базовых структур локальных сетей продолжают работать все те же протоколы Ethernet и Token Ring. Объединение этих структур (сегментов) в общую, более сложную локальную сеть осуществляется с помощью дополнительного оборудования, а взаимодействие РС такой сети — с помощью других протоколов.
В развитии локальных сетей, кроме отмеченного, наметились и другие тенденции:
• отказ от разделяемых сред передачи данных и переход к использованию активных коммутаторов, к которым РС сети присоединяются индивидуальными линиями связи;
• появление нового режима работы в ЛКС при использовании коммутаторов — полнодуплексного (хотя в базовых структурах локальных сетей РС работают в полудуплексном режиме, т.
к. сетевой адаптер станции в каждый момент времени либо передает свои данные, либо принимает другие, но не делает это одновременно). Сегодня каждая технология ЛКС приспособлена для работы как в полудуплексном, так и в полнодуплексном режимах.
Стандартизация протоколов ЛКС осуществлена комитетом 802, организованном в 1980 в институте IEEE. Стандарты семейства IEEE 802.Х охватывают только два нижних уровня модели ВОС — физический и канальный. Именно эти уровни отражают специфику локальных сетей, старшие уровни, начиная с сетевого, имеют общие черты для сетей любого класса.
В локальных сетях, как уже отмечалось, канальный уровень разделен на два подуровня:
• логической передачи данных (LLC);
• управления доступом к среде (МАС).
Протоколы подуровней МАС и LLC взаимно независимы, т. е. каждый протокол подуровня МАС может работать с любым протоколом подуровня LLC, и наоборот.
Подуровень МАС обеспечивает совместное использование общей передающей среды, а подуровень LLC — организует передачу кадров с различным уровнем качества транспортных услуг. В современных ЛКС используются несколько протоколов подуровня МАС, реализующих различные алгоритмы доступа к разделяемой среде и определяющих специфику технологий Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, Token Ring, FDDI, 100VG-AnyLAN.
Протокол LLC. Для технологий ЛКС этот протокол обеспечивает необходимое качество транспортной службы. Он занимает положение между сетевыми протоколами и протоколами подуровня МАС. По протоколу LLC кадры передаются либо дейтаграммным способом, либо с помощью процедур с установлением соединения между взаимодействующими станциями сети и восстановлением кадров путем их повторной передачи при наличии в них искажений.
Различают три режима работы протокола LLC:
• LLC1 — процедура без установления соединения и без подтверждения. Это дейтаграммный режим работы. Он используется обычно тогда, когда восстановление данных после ошибок и упорядочение данных осуществляется протоколами вышележащих уровней;
• LLC2 — процедура с установлением соединения и подтверждением.
По этому протоколу перед началом передачи между взаимодействующими РС устанавливается логическое соединение и, если это необходимо, выполняются процедуры восстановления кадров после ошибок и упорядочения потока кадров в рамках установленного соединения (протокол работает в режиме скользящего окна, используемом в сетях ARQ). Логический канал протокола LLC2 является дуплексным, т. е. данные могут передаваться одновременно в обоих направлениях;
• LLC3 — процедура без установления соединения, но с подтверждением. Это дополнительный протокол, который применяется, когда временные задержки (например, связанные с установлением соединения) перед отправкой данных не допускаются, но подтверждение о корректности приема данных необходимо. Протокол LLC3 используется в сетях, работающих в режиме реального времени по управлению промышленными объектами.
Указанные три протокола являются общими для всех методов доступа к передающей среде, определенных стандартами IEEE 802.Х.
Кадры подуровня LLC по своему назначению делятся на три типа — информационные (для передачи данных), управляющие (для передачи команд и ответов в процедурах LLC2) и ненумерованные (для передачи ненумерованных команд и ответов LLC1 и LLC2).
Все кадры имеют один и тот же формат: адрес отправителя, адрес получателя, контрольное поле (где размещается информация, необходимая для контроля правильности передачи данных), поле данных и два обрамляющих однобайтовых поля «Флаг» для определения границ кадра LLC. Поле данных может отсутствовать в управляющих и ненумерованных кадрах. В информационных кадрах, кроме того, имеется поле для указания номера отправленного кадра, а также поле для указания номера кадра, который отправляется следующим.
Технология Ethernet (стандарт 802.3). Это самый распространенный стандарт локальных сетей. По этому протоколу в настоящее время работают более 5 миллионов ЛКС. Имеется несколько вариантов и модификаций технологии Ethernet, составляющих целое семейство технологий. Из них наиболее известными являются 10-мегабитный вариант стандарта IEEE 802.3, а также новые высокоскоростные технологии Fast Ethernet и Gigabit Ethernet.
Все эти варианты и модификации отличаются типом физической среды передачи данных.
Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа к передающей среде — метод случайного доступа CSMA/CD. Он применяется исключительно в сетях с общей логической шиной, которая работает в режиме коллективного доступа и используется для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Такой метод доступа носит вероятностный характер: вероятность получения в свое распоряжение среды передачи зависит от загруженности сети. При значительной загрузке сети интенсивность коллизий возрастает и ее полезная пропускная способность резко падает.
Полезная пропускная способность сети — это скорость передачи пользовательских данных, переносимых полем данных кадров. Она всегда меньше номинальной битовой скорости протокола Ethernet за счет служебной информации кадра, межкадровых интервалов и ожидания доступа к среде. При передаче кадров минимальной длины (72 байта вместе с преамбулой) максимально возможная пропускная способность сегмента Ethernet составляет 14880 кадр/ с, а полезная пропускная способность — всего 5,48 Мбит/ с, что немного превышает половину номинальной пропускной способности — 10 Мбит/ с. При передаче кадров максимальной длины (1518 байт) полезная пропускная способность равна 9,76 Мбит/ с, что близко к номинальной скорости протокола. Наконец, при использовании кадров средней длины с полем данных в 512 байт, полезная пропускная способность равна 9,29 Мбит/ с, т. е. также мало отличается от предельной пропускной способности в 10 Мбит/ с. Следует учесть, что такие скорости достигаются только при отсутствии коллизий, когда двум взаимодействующим узлам другие узлы не мешают. Коэффициент использования сети в случае отсутствия коллизий и ожидания доступа имеет максимальное значение 0,96.
Технологией Ethernet поддерживаются 4 разных типа кадров, имеющих общий формат адресов. Распознавание типа кадров осуществляется автоматически. В качестве примера приведем структуру кадра 802.3/LLC.
Такой кадр имеет следующие поля:
• поле преамбулы — состоит из семи синхронизирующих байт 10101010, которые используются для реализации манчестерского кодирования;
• начальный ограничитель кадра — состоит из одного байта 10101011 и указывает на то, что следующий байт — это первый байт заголовка кадра;
• адрес назначения — длина его 6 байт, он включает признаки, по которым устанавливает тип адреса — индивидуальный (кадр отправляется одной РС), групповой (кадр отправляется группе РС), широковещательный (для всех РС сети);
• адрес источника (отправителя) — длина его 2 или 6 байт;
• длина поля данных — 2-байтовое поле, определяющее длину поля данных в кадре;
• поле данных — длина его от 0 до 1500 байт. Если длина этого поля меньше 46 байт, то используется так называемое поле заполнения, чтобы дополнить кадр до минимального допустимого значения в 46 байт;
• поле заполнения — длина его такая, чтобы обеспечить минимальную длину поля данных в 46 байт (это необходимо для корректной работы механизма обнаружения ошибок). Поле заполнения в кадре отсутствует, если длина поля данных достаточна;
• поле контрольной суммы — состоит из 4 байт и содержит контрольную сумму, которая используется на приемной стороне для выявления ошибок в принятом кадре.
В зависимости от типа физической среды по стандарту IEEE 802.3 различают следующие спецификации:
• 10Base-5 — толстый коаксиальный кабель (диаметр 0,5 дюйма), максимальная длина сегмента сети 500 метров;
• 10Base-2 — тонкий коаксиальный кабель (диаметр 0,25 дюйма), максимальная длина сегмента без повторителей 185 метров;
• 10 Base-T — неэкранированная витая пара, образующая звездообразную топологию на основе концентратора. Расстояние между концентратором и РС — не более 100 метров;
• 10Base-F — волоконно-оптический кабель, образующий звездообразную топологию. Расстояние между концентратором и РС — до 1000 м и 2000 м для различных вариантов этой спецификации.
В этих спецификациях число 10 обозначает битовую скорость передачи данных (10 Мбит/с), слово Base — метод передачи на одной базовой частоте 10 МГц, последний символ (5, 2, Т, F) — тип кабеля.
Для всех стандартов Ethernet имеют место следующие характеристики и ограничения:
• номинальная пропускная способность — 10 Мбит/ с;
• максимальное число РС в сети — 1024;
• максимальное расстояние между узлами в сети — 2500 м;
• максимальное число коаксиальных сегментов сети — 5;
• максимальная длина сегмента — от 100 м (для 10Base-T) до 2000 м (для 10Base-F);
• максимальное число повторителей между любыми станциями сети — 4.
Технология Token Ring (стандарт 802.5). Здесь используется разделяемая среда
передачи данных, состоящая из отрезков кабеля, соединяющих все РС сети в кольцо. К кольцу (общему разделяемому ресурсу) применяется детерминированный доступ, основанный на передаче станциям права на использование кольца в определенном порядке. Это право предается с помощью маркера. Маркерный метод доступа гарантирует каждой РС получение доступа к кольцу в течение времени оборота маркера. Используется приоритетная система владения маркером — от 0 (низший приоритет) до 7 (высший). Приоритет для текущего кадра определяется самой станцией, которая может захватить кольцо, если в нем нет более приоритетных кадров.
В сетях Token Ring в качестве физической среды передачи данных используются экранированная и неэкранированная витая пара и волоконно-оптический кабель. Сети работают с двумя битовыми скоростями — 4 и 16 Мбит/ с, причем в одном кольце все РС должны работать с одной скоростью. Максимальная длина кольца — 4 км, а максимальное количество РС в кольце — 260. Ограничения на максимальную длину кольца связаны со временем оборота маркера по кольцу. Если в кольце 260 станций и время удержания маркера каждой станцией равно 10 мс, то маркер после совершения полного оборота вернется в активный монитор через 2,6 с. При передаче длинного сообщения, разбиваемого, например на 50 кадров, это сообщение будет принято получателем в лучшем случае (когда активной является только РС-отправитель) через 260 с, что для пользователей не всегда приемлемо.
Максимальный размер кадра в стандарте 802.5 не определен. Обычно он принимается равным 4 Кбайт для сетей 4 Мбит/ с и 16 Кбайт для сетей 16 Мбит/ с.
В сетях 16 Мбит/ с используется также и более эффективный алгоритм доступа к кольцу. Это алгоритм раннего освобождения маркера (ETR): станция передает маркер доступа следующей станции сразу же после окончания передачи последнего бита своего кадра, не дожидаясь возвращения по кольцу этого кадра и занятого маркера. В этом случае по кольцу будут передаваться одновременно кадры нескольких станций, что существенно повышает эффективность использования пропускной способности кольца. Конечно, и в этом случае в каждый данный момент генерировать кадр в кольцо может только та РС, которая в этот момент владеет маркером доступа, а остальные станции будут только ретранслировать чужие кадры.
Технология Token Ring существенно сложнее технологии Ethernet. В ней заложены возможности отказоустойчивости: за счет обратной связи кольца одна из станций (активный монитор) непрерывно контролирует наличие маркера, время оборота маркера и кадров данных, обнаруженные ошибки в сети устраняются автоматически, например потерянный маркер может быть восстановлен. В случае выхода из строя активного монитора, выбирается новый активный монитор и процедура инициализации кольца повторяется.
Стандарт Token Ring (технология этих сетей была разработана еще в 1984 г. фирмой IBM, которая является законодателем мод в этой технологии) изначально предусматривал построение связей в сети с помощью концентраторов, называемых MAU, т. е. устройствами многостанционного доступа. Концентратор может быть пассивным (соединяет порты внутренними связями так, чтобы РС, подключенные к этим портам, образовали кольцо, а также обеспечивает обход какого-либо порта, если подключенный к этому порту компьютер выключается) или активным (выполняет функции регенерации сигналов и поэтому иногда называется повторителем).
Для сетей Token Ring характерна звездно-кольцевая топология: РС подключаются к концентраторам по топологии звезды, а сами концентраторы через специальные порты Ring In (RI) и Ring Out (RO) объединяются для образования магистрального физического кольца. Сеть Token Ring может строиться на основе нескольких колец, разделенных мостами, маршрутизирующими кадры адресату (каждый кадр снабжается полем с маршрутом прохождения колец).
Недавно технология Token Ring стараниями компании IBM получила новое развитие: предложен новый вариант этой технологии (HSTR), поддерживающий битовые скорости в 100 и 155 Мбит/с. При этом сохранены основные особенности технологии Token Ring 16 Мбит/с.
Технология FDDI. Это первая технология ЛКС, в которой для передачи данных используется волоконно-оптический кабель. Она появилась в 1988 г. и ее официальное название — оптоволоконный интерфейс распределенных данных (Fiber Distributed Data Interface, FDDI). В настоящее время в качестве физической среды, кроме волоконнооптического кабеля, применяется неэкранированная витая пара.
Технология FDDI предназначена для использования на магистральных соединениях между сетями, для подключения к сети высокопроизводительных серверов, в корпоративных и городских сетях. Поэтому в ней обеспечена высокая скорость передачи данных (100 Мбит/ с), отказоустойчивость на уровне протокола и большие расстояния между узлами сети. Все это сказалось на стоимости подключения к сети: для подключения клиентских компьютеров эта технология оказалась слишком дорогой.
Существует значительная преемственность между технологиями Token Ring и FDDI. Основные идеи технологии Token Ring восприняты и получили совершенствование и развитие в технологии FDDI, в частности, кольцевая топология и маркерный метод доступа.
Компьютерные сети и сетевые технологии
В сети FDDI для передачи данных используются два оптоволоконных кольца, образующих основной и резервный пути передачи между РС. Станции сети подключаются к обоим кольцам. В нормальном режиме задействовано только основное кольцо. В случае отказа какой-либо части основного кольца оно объединяется с резервным кольцом, вновь образуя единое кольцо (это режим «свертывания» колец) с помощью концентраторов и сетевых адаптеров. Наличие процедуры «свертывания» при отказах — основной способ повышения отказоустойчивости сети. Существуют и другие процедуры для определения отказов в сети и восстановления ее работоспособности.
Основное отличие маркерного метода доступа к передающей среде, используемого в сети FDDI, от этого метода в сети Token Ring, заключается в том, что в сети FDDI время удержания маркера является постоянной величиной только для синхронного трафика, который критичен к задержкам передачи кадров. Для асинхронного трафика, не критичного к небольшим задержкам передачи кадров, это время зависит от загрузки кольца: при небольшой загрузке оно увеличивается, а при большой — может уменьшаться до нуля. Таким образом, для асинхронного трафика метод доступа является адаптивным, хорошо регулирующим временные перегрузки сети. Механизм приоритетов кадров отсутствует. Считается, что достаточно разделить трафик на два класса — синхронный, который обслуживается всегда (даже при перегрузках кольца), и асинхронный, обслуживаемый при малой загрузке кольца. Станции FDDI применяют алгоритм раннего освобождения маркера, как это сделано в сети Token Ring со скоростью 16 Мбит/с. Синхронизация сигналов обеспечивается применением биполярного кода NRZI.
В сети FDDI выделенный активный монитор отсутствует, все станции и концентраторы равноправны, и при обнаружении отклонений от нормы они осуществляют повторную инициализацию сети и, если это необходимо, ее реконфигурацию.
Результаты сравнения технологии FDDI с технологиями Ethernet и Token Ring [39] приведены в табл. 8.
Технологии Fast Ethernet и 100VG-AnyLAN. Обе эти технологии не являются самостоятельными стандартами и рассматриваются как развитие и дополнение технологии Ethernet, реализованное соответственно в 1995 и 1998 годах. Новые технологии Fast Ethernet (стандарт 802.3и) и 100VG-AnyLAN (стандарт 802.3z) имеют производительность 100 Мбит/ с и отличаются степенью преемственности с классическим Ethernet.
В стандарте 802.3и сохранен метод случайного доступа CSMA/CD и тем самым обеспечена преемственность и согласованность сетей 10 Мбит/с и 100 Мбит/ с.
В технологии 100VG-AnyLAN используется совершенно новый метод доступа — Demand Priority (DP), приоритетный доступ по требованию. Эта технология существенно отличается от технологии Ethernet.
Отметим особенности технологии Fast Ethernet и ее отличия от технологии Ethernet:
• структура физического уровня технологии Fast Ethernet более сложная, что объясняется использованием трех вариантов кабельных систем: волоконно-оптический кабель, витая пара категории 5 (используются две пары), витая пара категории 3 (используются четыре пары). Отказ от коаксиального кабеля привел к тому, что сети этой технологии всегда имеют иерархическую древовидную структуру;
• диаметр сети сокращен до 200 м, время передачи кадра минимальной длины уменьшено в 10 раз за счет увеличения скорости передачи в 10 раз;
• технология Fast Ethernet может использоваться при создании магистралей локальных сетей большой протяженности, но только в полудуплексном варианте и совместно с коммутаторами (полудуплексный вариант работы для этой технологии является основным);
• для всех трех спецификаций физического уровня, отличающихся типом используемого кабеля, форматы кадров отличаются от форматов кадров технологий 10- мегабитного Ethernet;
• признаком свободного состояния передающей среды является не отсутствие сигналов, а передача по ней специального символа в кодированном виде;
• для представления данных при передаче по кабелю и обеспечения синхронизации сигналов манчестерский код не используется. Применяется метод кодирования 4В/5В, хорошо себя зарекомендовавший в технологии FDDI. В соответствии с этим методом каждые 4 бита передаваемых данных представляются 5 битами, т. е. из 32 комбинаций 5-битных символов для кодирования исходных 4-битных символов используются только 16 комбинаций, а из оставшихся 16 комбинаций выбираются несколько кодов, которые используются как служебные. Один из служебных кодов постоянно передается в течение пауз между передачей кадров. Если он в линии связи отсутствует, то это свидетельствует об отказе физической связи;
• кодирование и синхронизация сигналов осуществляются с помощью биполярного кода NRZI;
• технология Fast Ethernet рассчитана на использование концентраторов- повторителей для образования связей в сети (то же самое имеет место для всех некоаксиальных вариантов Ethernet).
Особенности технологии 100VG-AnyLAN заключается в следующем:
• используется другой метод доступа к передающей среде — Demand Priority, обеспечивающий более эффективное распределение пропускной способности сети между запросами пользователей и поддерживающий приоритетный доступ для синхронного режима работы. В качестве арбитра доступа используется концентратор, который циклически выполняет опрос рабочих станций. Станция, желая передать свой кадр, посылает специальный сигнал концентратору, запрашивает
передачу кадра и указывает его приоритет. Имеются два уровня приоритетов — низкий (для обычных данных) и высокий (для данных, чувствительных к временным задержкам, например мультимедиа). Приоритеты запросов имеют две составляющие — статическую и динамическую, поэтому станция с низким уровнем приоритета, долго не имеющая доступа к сети, получает высокий приоритет;
• передача кадров осуществляется только станции назначения, а не всем станциям сети;
• сохранены форматы кадров Ethernet и Token Ring, что облегчает межсетевое взаимодействие через мосты и маршрутизаторы;
• поддерживаются несколько спецификаций физического уровня, предусматривающих использование четырех и двух неэкранированных витых пар, двух экранированных витых пар и двух оптоволоконных кабелей. Если используются 4 пары неэкранированного кабеля, по каждой паре одновременно передаются данные со скоростью 25 Мбит/ с, что в сумме дает 100 Мбит/ с. Коллизии при передаче информации отсутствуют. Для кодирования данных применяется код 5В/6В, идея использования которого аналогична коду 4В/5В.
Технология 100VG-AnyLAN не нашла такого широкого распространения, как Fast Ethernet. Это объясняется узостью технических возможностей поддержки разных типов трафика, а также появлением высокоскоростной технологии Gigabit Ethernet.
Технология Gigabit Ethernet. Появление этой технологии представляет собой новую ступень в иерархии сетей семейства Ethernet, обеспечивающую скорость передачи в 1000 Мбит/ с. Стандарт по этой технологии принят в 1998г., в нем максимально сохранены идеи классической технологии Ethernet.
По поводу технологии Gigabit Ethernet следует отметить следующее:
• на уровне протокола не поддерживаются (так же, как и у его предшественников): качество обслуживания, избыточные связи, тестирование работоспособности узлов и оборудования. Что касается качества обслуживания, то считается, что высокая скорость передачи данных по магистрали и возможность назначения пакетам приоритетов в коммутаторах вполне достаточны для обеспечения качества транспортного обслуживания пользователей сети. Поддержка избыточных связей и тестирование оборудования осуществляются протоколами более высоких уровней;
• сохраняются все форматы кадров Ethernet;
• имеется возможность работы в полудуплексном и полнодуплексном режимах. Первый из них поддерживает метод доступа CSMA/CD, а второй — работу с коммутаторами;
• поддерживаются все основные виды кабелей, как и в предшествующих технологиях этого семейства: волоконно-оптический, витая пара, коаксиал;
• минимальный размер кадра увеличен с 64 до 512 байт, максимальный диаметр сети тот же — 200 м. Можно передавать несколько кадров подряд, не освобождая среду.
Технология Gigabit Ethernet позволяет строить крупные локальные сети, в которых серверы и магистрали нижних уровней сети работают на скорости 100 Мбит/ с, а магистраль 1000 Мбит/ с объединяет их, обеспечивая запас пропускной способности.
До сих пор рассматривались протоколы, работающие на первых трех уровнях семиуровневой эталонной модели ВОС и реализующие соответствующие методы логической передачи данных и доступа к передающей среде. В соответствии с этими протоколами передаются пакеты между рабочими станциями, но не решаются вопросы, связанные с сетевыми файловыми системами и переадресацией файлов. Эти протоколы не включают никаких средств обеспечения правильной последовательности приема переданных данных и средств идентификации прикладных программ, нуждающихся в обмене данными.
В отличие от протоколов нижнего уровня протоколы верхнего уровня (называемые также протоколами среднего уровня, так как они реализуются на 4-м и 5-м уровнях модели ВОС) служат для обмена данными. Они предоставляют программам интерфейс для передачи данных методом дейтаграмм, когда пакеты адресуются и передаются без подтверждения получения, и методом сеансов связи, когда устанавливается логическая связь между взаимодействующими станциями (источником и адресатом) и доставка сообщений подтверждается.
Протоколы верхнего уровня подробно рассматриваются в следующей главе. Здесь лишь коротко отметим протокол IPX/SPX, получивший широкое применение в локальных сетях особенно в связи с усложнением их топологии (вопросы маршрутизации перестали быть тривиальными) и расширением предоставляемых услуг. IPX/SPX — сетевой протокол NetWare, причем IPX (Internetwork Packet Exchange) — протокол межсетевого обмена пакетами, а SPX (Sequenced Packet Exchange) — протокол последовательного обмена пакетами.
Протокол IPX/SPX. Этот протокол является набором протоколов IPX и SPX. Фирма Nowell в сетевой операционной системе NetWare применяет протокол IPX для обмена дейтаграммами и протокол SPX для обмена в сеансах связи.
Протокол IPX/SPX относится к программно-реализованным протоколам. Он не работает с аппаратными прерываниями, используя функции драйверов операционных систем. Пара протоколов IPX/SPX имеет фиксированную длину заголовка, что приводит к полной совместимости разных реализаций этих протоколов.
Протокол IPX применяется маршрутизаторами в сетевой операционной системе (СОС) NetWare. Он соответствует сетевому уровню модели ВОС и выполняет функции адресации, маршрутизации и переадресации в процессе передачи пакетов данных. Несмотря на отсутствие гарантий доставки сообщений (адресат не передает отправителю подтверждения о получении сообщения) в 95 % случаев не требуется повторной передачи. На уровне IPX выполняются служебные запросы к файловым серверам. и каждый такой запрос требует ответа со стороны сервера. Этим и определяется надежность работы методом дейтаграмм, так как маршрутизаторы воспринимают реакцию сервера на запрос как ответ на правильно переданный пакет.
Протокол SPX работает на транспортном уровне модели ВОС, но имеет и функции, свойственные протоколам сеансового уровня. Он осуществляет управление процессами установки логической связи, обмена и окончания связи между любыми двумя узлами (рабочими станциями) ЛКС. После установления логической связи пакеты могут циркулировать в обоих направлениях с гарантией того, что они передаются без ошибок. Протокол SPX гарантирует очередность приема пакетов согласно очередности отправления.
Локальные сети: виды и их применение
Эльшакери, Халид Мохамед. Локальные сети: виды и их применение / Халид Мохамед Эльшакери. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2023. — № 47 (494). — С. 20-25. — URL: https://moluch.ru/archive/494/107963/ (дата обращения: 29.01.2024).
Локальные сети (Local Area Networks, LANs) играют ключевую роль в современном мире цифровых технологий, обеспечивая эффективный обмен информацией в ограниченных пространственных масштабах, таких как офисы, дома или предприятия. Развитие этой области началось во второй половине XX века и продолжается по сей день, формируя основу для взаимодействия компьютеров и других устройств в сети. В данной статье мы проведем обзор истории локальных сетей, рассмотрим различные виды этой технологии, и выявим ключевые характеристики, которые делают их неотъемлемой частью современной информационной инфраструктуры.
Историческая справка:
Идея создания локальных сетей впервые возникла в 1960-х годах, когда компьютеры стали более доступными и их использование в офисах и лабораториях стало более распространенным. Ранние локальные сети были предназначены для обмена данными между компьютерами и периферийными устройствами в ограниченных пространственных масштабах.
Существовали различные подходы к созданию сетей, и одним из первых стандартов, который оказал значительное влияние на развитие локальных сетей, стал стандарт Ethernet. В конце 1970-х и начале 1980-х годов он стал основой для многих современных локальных сетей.
С развитием технологий и распространением интернета локальные сети стали играть все более важную роль. Они перестали быть просто средством обмена данными в офисах и лабораториях, превратившись в средства связи для домашних сетей, учебных учреждений, здравоохранения и даже городских инфраструктурных систем. Этот период стал свидетельством взрывного роста локальных сетей и установления их как важного элемента современной информационной инфраструктуры.
Структура Локальных Сетей:
Локальные сети (LANs) состоят из разнообразных элементов и технологий, работающих вместе для обеспечения эффективного обмена информацией в ограниченных пространственных масштабах, таких как дома, офисы или предприятия. Давайте рассмотрим основные элементы этой структуры:
1. Устройства:
— Кабели: Кабели играют ключевую роль в структуре локальных сетей (LANs), обеспечивая физическое соединение между различными устройствами в сети. Вот некоторые важные аспекты кабелей в локальных сетях:
Типы кабелей:
Оптоволоконные кабели (Optical Fibers): Они используют световые волны для передачи данных, обеспечивая высокую пропускную способность и устойчивость к электромагнитным помехам.
Медные кабели (Copper Cables): Широко используются в локальных сетях, включая витые пары, коаксиальные кабели и витые пары различной скорости передачи данных.
Кабели внутри здания:
Витая пара (Twisted Pair): Состоит из проводов, скрученных вместе для уменьшения электромагнитных помех. Категории кабелей (Cat5e, Cat6, Cat6a) определяют их пропускную способность и возможности передачи данных.
Коаксиальные кабели (Coaxial Cables): Содержат центральный провод, изолированный слоем, и экранирование, обеспечивая более высокую пропускную способность по сравнению с витой парой.
Кабели вне здания :
Оптоволоконные кабели: Используются для долгосрочных передач данных на большие расстояния, обеспечивая высокую скорость передачи данных и устойчивость к электромагнитным воздействиям.
Патч-кабели: Используются для соединения конечных устройств с портами на коммутаторах или розетках, например, для подключения компьютеров, принтеров и других устройств.
Кабели консоли (Console Cables): Применяются для подключения компьютера или устройства к сетевому оборудованию для конфигурирования и управления.
Звездообразная архитектура: В большинстве локальных сетей используется звездообразная архитектура, где все устройства подключаются к центральному коммутатору или маршрутизатору.
Коммутаторы
Коммутаторы представляют собой ключевой элемент в структуре локальных сетей (LANs), обеспечивая эффективное взаимодействие между различными устройствами в сети. Вот несколько основных аспектов, касающихся коммутаторов в локальных сетях:
Прямое взаимодействие: Коммутаторы позволяют устройствам в сети общаться напрямую, исключая необходимость в методах рассылки, которые характерны для устаревших технологий.
Увеличение пропускной способности: Поскольку коммутаторы направляют данные только к адресату, они обеспечивают более высокую пропускную способность по сравнению с хабами или концентраторами.
Пакетная коммутация (Packet Switching): Коммутаторы используют пакетную коммутацию, где данные разделяются на пакеты, что обеспечивает более эффективное использование пропускной способности сети.
Магистральная коммутация (Store-and-Forward): В режиме «хранения и передачи» коммутатор получает весь пакет перед его отправкой, что повышает точность доставки данных.
Неуправляемые коммутаторы (Unmanaged Switches): Просты в использовании и не требуют конфигурации. Они автоматически пересылают данные между устройствами.
Управляемые коммутаторы (Managed Switches): Предоставляют возможность настройки и управления функциями коммутатора, что особенно важно в крупных сетях.
Точки доступа (Access Points):
обеспечивая беспроводную связь для мобильных устройств. Вот несколько ключевых аспектов, связанных с точками доступа в локальных сетях:
Роль точек доступа:
Предоставление беспроводного доступа: Основная задача точек доступа заключается в обеспечении беспроводного соединения для устройств, поддерживающих Wi-Fi.
Увеличение диапазона сети: Точки доступа расширяют область покрытия сети, позволяя устройствам подключаться к сети на больших расстояниях от проводных соединений.
Технологии беспроводной связи:
Стандарты Wi-Fi: Точки доступа используют стандарты беспроводной связи, такие как 802.11ac или 802.11ax, чтобы обеспечивать быструю и стабильную передачу данных.
Двухдиапазонные точки доступа: Некоторые точки доступа работают на двух частотных диапазонах (2.4 ГГц и 5 ГГц), что позволяет оптимизировать производительность в зависимости от условий сетевого окружения.
Управление беспроводной сетью:
Контроль доступа: Точки доступа обеспечивают управление доступом, определяя, какие устройства имеют право подключаться к сети.
Безопасность беспроводной сети: Реализация методов шифрования, таких как WPA3, помогает обеспечить безопасность беспроводной передачи данных.
Маршрутизаторы (Routers):
Маршрутизаторы представляют собой ключевой элемент инфраструктуры локальных сетей (LANs), играя важную роль в направлении трафика и обеспечении связности между устройствами. Вот некоторые основные аспекты использования маршрутизаторов в локальных сетях:
1. Передача данных между устройствами внутри LAN:
Маршрутизаторы обеспечивают эффективное направление данных между устройствами внутри локальной сети. Это включает в себя передачу информации от одного устройства к другому в пределах сети.
2. Оптимизация трафика:
Маршрутизаторы выбирают оптимальные маршруты для передачи данных внутри сети, что способствует более эффективному использованию ресурсов и снижению задержек.
3. Назначение IP-адресов:
Маршрутизаторы играют роль в назначении IP-адресов устройствам внутри локальной сети, обеспечивая уникальность идентификаторов для каждого устройства.
4. Сегментация сети:
Путем использования маршрутизаторов можно разделить локальную сеть на различные сегменты, что повышает безопасность и эффективность управления трафиком.
5. Доступ в Интернет:
Маршрутизаторы обеспечивают выход в Интернет для устройств в локальной сети, выполняя функцию Network Address Translation (NAT) для преобразования частных IP-адресов в общедоступные.
Встроенные брандмауэры и функции безопасности маршрутизаторов помогают защитить локальную сеть от несанкционированного доступа и вредоносных атак.
7. Маршрутизация между VLANs:
Маршрутизаторы могут использоваться для маршрутизации трафика между виртуальными локальными сетями (VLANs), что способствует сегментации и управлению трафиком.
Использование маршрутизаторов в локальных сетях становится все более важным в современных сценариях работы с данными, обеспечивая эффективную коммуникацию и безопасность внутри сетей.
2. Протоколы Локальных Сетей:
Некоторые из основных протоколов, используемых в локальных сетях:
Описание: Ethernet является одним из наиболее распространенных протоколов локальной сети (LAN). Он устанавливает стандарты физического соединения и методы доступа к среде передачи данных.
Характеристики: Ethernet использует метод CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) для управления доступом к среде передачи данных, что позволяет различным устройствам конкурировать за доступ к сети.
Описание: Протокол Wi-Fi предоставляет беспроводную связь в локальных сетях, позволяя устройствам подключаться к сети без использования физических кабелей.
Характеристики: Стандарты Wi-Fi, такие как 802.11ac и 802.11ax, определяют параметры беспроводной связи, такие как частотные диапазоны и пропускную способность.
TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol):
Описание: TCP/IP является основным протоколом для интернета и многих локальных сетей. Он включает в себя два основных протокола: TCP для управления передачей данных и IP для маршрутизации и адресации.
Характеристики: TCP обеспечивает надежную и упорядоченную передачу данных, в то время как IP отвечает за маршрутизацию и адресацию пакетов данных.
ARP (Address Resolution Protocol):
Описание: Протокол ARP используется для преобразования IP-адресов в физические MAC-адреса в локальных сетях.
Характеристики: ARP помогает устройствам определить MAC-адреса других устройств в сети для корректной передачи данных.
ICMP (Internet Control Message Protocol):
Описание: ICMP используется для отправки сообщений об ошибках и управления сетевыми операциями, такими как тестирование доступности узлов сети (ping).
Характеристики: ICMP обеспечивает диагностику и управление сетью через отправку специальных сообщений.
SNMP (Simple Network Management Protocol):
Описание: SNMP используется для удаленного мониторинга и управления сетевыми устройствами в локальных сетях.
Характеристики: SNMP позволяет администраторам отслеживать статус и конфигурацию сетевых устройств.
7. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol):
Описание: DHCP автоматически назначает IP-адреса и другие сетевые параметры устройствам в локальной сети.
Характеристики: DHCP упрощает процесс конфигурации сетевых устройств, делая их более доступными для использования в локальной сети.
3. Управление сетью
Описание: Мониторинг сети включает в себя постоянное отслеживание активности, производительности и состояния устройств в локальной сети.
Значение: Позволяет оперативно выявлять проблемы, анализировать использование ресурсов и предотвращать сбои в работе сети.
Описание: Конфигурация устройств включает в себя установку и оптимизацию параметров сетевого оборудования, таких как маршрутизаторы, коммутаторы и точки доступа.
Значение: Обеспечивает правильную работу сетевого оборудования и соответствие его настроек требованиям бизнес-процессов.
Описание: Управление безопасностью включает в себя реализацию политик безопасности, шифрование данных, контроль доступа и мониторинг угроз.
Значение: Гарантирует защиту конфиденциальности и целостности данных, а также предотвращает несанкционированный доступ к сети.
Управление пропускной способностью:
Описание: Управление пропускной способностью включает в себя мониторинг и оптимизацию производительности сети для обеспечения эффективной передачи данных.
Значение: Обеспечивает стабильность и высокую производительность сети, предотвращая узкие места и сбои.
4. Разновидности локальных сетей
Управление конфигурациями:
Описание: Управление конфигурациями включает в себя сохранение, резервирование и восстановление конфигураций сетевого оборудования.
Значение: Предотвращает потерю настроек при сбоях, обеспечивает быстрое восстановление после инцидентов.
Описание: Управление IP-адресами включает в себя назначение, отслеживание и резервирование IP-адресов для устройств в сети.
Значение: Обеспечивает правильное функционирование сетевого адресации и избегает конфликтов IP-адресов.
Описание: Управление изменениями включает в себя документирование, контроль и внедрение изменений в сетевую инфраструктуру.
Значение: Предотвращает потенциальные сбои и обеспечивает систематическое внедрение изменений.
Сеть клиент-сервер (Client Server LAN):
Сеть клиент-сервер представляет собой архитектурный подход в локальных сетях, где сервер предоставляет ресурсы и услуги, а клиенты обращаются за этими ресурсами.
Роли устройств: Серверы обеспечивают централизованный доступ к ресурсам (файлам, приложениям), а клиенты запрашивают и используют эти ресурсы.
Безопасность: Централизованный контроль доступа к ресурсам, что повышает безопасность системы.
Управление: Централизованное управление ресурсами и обновлениями системы.
Применение в современных сценариях:
Сети клиент-сервер широко применяются в корпоративных окружениях для обеспечения эффективного управления данными и ресурсами.
Сеть «равный к равному» (Peer-to-Peer LAN):
Сеть «равный к равному» представляет собой модель, в которой все устройства в сети имеют одинаковые права и могут взаимодействовать напрямую друг с другом без центрального сервера.
Роли устройств: Все устройства в сети равны между собой и могут действовать как клиенты и серверы одновременно.
Децентрализация: Отсутствие центрального узла управления, что обеспечивает гибкость и простоту сети.
Безопасность: Отсутствие центрального контроля, что может привести к сложностям в обеспечении безопасности.
Применение в современных сценариях:
Сети «равный к равному» широко используются в небольших офисах и домашних сетях, где не требуется централизованное управление ресурсами.
Сеть Token Ring (Token Ring LAN):
Сеть Token Ring использует топологию кольца, где данные передаются по кольцевой сети с использованием токена, предоставляя каждому устройству право передачи.
Топология: Кольцевая топология, где каждое устройство имеет два соседа для передачи данных.
Метод передачи: Использование токена для координации доступа к среде передачи данных.
Производительность: Повышенная эффективность передачи данных в кольцевой сети.
Применение в современных сценариях:
Сети Token Ring стали менее распространенными, поскольку их заменяют более современные технологии, такие как Ethernet.
Проводная локальная сеть (Wired LAN):
Проводная локальная сеть включает в себя физические провода (как правило, медные или волоконно-оптические) для передачи данных между устройствами.
Среда передачи: Использование физических проводов для передачи данных.
Пропускная способность: Обычно обеспечивает более высокую пропускную способность по сравнению с беспроводными технологиями.
Безопасность: Сложнее подвергнуться несанкционированному доступу по сравнению с беспроводными сетями.
Применение в современных сценариях:
Проводные сети широко используются в офисных зданиях, центрах обработки данных и других местах, где требуется высокая пропускная способность и стабильность соединения.
Беспроводная локальная сеть (Wireless LAN):
Беспроводная локальная сеть передает данные между устройствами через радиоволны, без использования физических проводов.
Среда передачи: Беспроводная передача данных через радиоволны.
Гибкость: Обеспечивает свободу передвижения устройств в пределах зоны покрытия.
Пропускная способность: Обычно ниже, чем у проводных сетей.
Применение в современных сценариях:
Беспроводные сети широко используются в офисах, аэропортах, кафе и домашних сетях для обеспечения гибкости и мобильности устройств.
Облачно-управляемая локальная сеть (Cloud-Managed LAN):
Определение:
Облачно-управляемая локальная сеть использует облачные технологии для управления и мониторинга сетевой инфраструктуры.
Управление: Централизованное управление через облачные сервисы.
Масштабируемость: Легкость в масштабировании и управлении большими сетями.
Доступность: Возможность управления сетью удаленно через интернет.
Применение в современных сценариях:
Облачно-управляемые сети становятся все более популярными для предприятий, где требуется гибкость, масштабируемость и удаленное управление.
5. Будущее локальных сетей:
Локальные сети (Local Area Networks, LANs) являются неотъемлемой частью современной информационной инфраструктуры, и их роль продолжает расти с развитием технологий.
1. Интеграция Интернета Вещей (IoT):
С развитием концепции Интернета Вещей, локальные сети становятся ключевым элементом для связи и управления умными устройствами. От домашней автоматизации до индустрии 4.0, LANs играют важную роль в обеспечении связи между устройствами.
Внедрение технологии 5G привнесет значительные изменения в локальные сети. Высокая скорость передачи данных, низкая задержка и большая емкость сети расширят возможности LANs, обеспечивая более быструю и надежную связь.
3. Виртуализация и Облачные Решения:
Технологии виртуализации локальных сетей и переход к облачным решениям упростят управление ресурсами, повысят гибкость и обеспечат более высокий уровень безопасности. Это также способствует масштабируемости и управлению большими объемами данных.
4. Искусственный Интеллект (AI) в Локальных Сетях:
Применение искусственного интеллекта в области сетевых технологий будет способствовать автоматизации управления сетями, обнаружению угроз и оптимизации производительности. Это создаст более интеллектуальные и самоадаптивные локальные сети.
5. Блокчейн для Безопасности:
Использование технологии блокчейн для обеспечения безопасности данных в локальных сетях станет все более распространенным. Блокчейн обеспечивает надежное и неизменное хранение информации, что критически важно для защиты от кибератак и несанкционированного доступа.
6. Преимущества и Недостатки Локальных Сетей
Преимущества Локальных Сетей:
1. Высокая Скорость Передачи Данных:
Локальные сети обеспечивают быструю передачу данных между подключенными устройствами, что обеспечивает эффективное взаимодействие и обмен информацией.
2. Общий Ресурс Ресурсов:
Они позволяют совместно использовать ресурсы, такие как принтеры, серверы и интернет-каналы, что повышает эффективность и экономит ресурсы.
3. Простота Обслуживания:
Локальные сети обладают относительной простотой обслуживания, особенно в сравнении с более крупными сетями.
4. Легкость Расширения:
Возможность расширения и добавления новых устройств в сеть делает LAN гибким и масштабируемым.
5. Улучшенная Безопасность:
Современные технологии обеспечивают высокий уровень безопасности, защищая данные от несанкционированного доступа.
Недостатки Локальных Сетей:
1. Ограниченная География:
Локальные сети предназначены для ограниченной территории, что означает, что они не могут обеспечивать связь на большие расстояния.
2. Зависимость от Физической Инфраструктуры:
Для функционирования LAN требуется физическая инфраструктура, включая кабели и оборудование, что может создать дополнительные затраты.
3. Ограниченные Ресурсы:
Совместное использование ресурсов также может привести к конфликтам и ограниченной доступности в некоторых случаях.
4. Сложность Управления:
С увеличением размеров сети может возникнуть сложность управления и обслуживания, требуя более сложных систем управления.
5. Риски Безопасности:
При недостаточной защите данные в локальной сети могут подвергаться риску кибератак и утечек.
Заключение:
В завершение данной научной статьи о локальных сетях можно сказать, что они представляют собой жизненно важный компонент современной информационной инфраструктуры. Предоставляя эффективный способ обмена данными и ресурсами между подключенными устройствами, локальные сети способствуют улучшению эффективности работы и обеспечивают более качественное взаимодействие.
Несмотря на постоянные улучшения в технологии сетей, пользователям важно быть осведомленными о вызовах и ответственностях, связанных с эксплуатацией и обслуживанием локальных сетей. Путем принятия лучших практик в области безопасности и управления можно добиться максимальной выгоды от использования локальных сетей и избежать возможных проблем.
- Tanenbaum, A. S., & Wetherall, D. J. (2011). Computer Networks. Pearson Education.
- Comer, D. E. (2004). Computer Networks and Internets. Prentice Hall.
- Леонов, А. (2019). «Компьютерные сети: Принципы, технологии, протоколы». Москва: Издательство.
- Титченор, Э. (2018). «Локальные сети. Методы эффективного применения». Москва: Издательство.
- Аль-Захрани, д. Абдулла (2020). «Анализ и оптимизация локальных сетей». Рияд: Научное издательство.
Основные термины (генерируются автоматически): сеть, LAN, устройство, локальная сеть, TCP, пропускная способность, ARP, DHCP, ICMP, SNMP.